一种载波信号激励源以及载波信号合成方法与流程

本发明涉及信号激励源技术领域，具体涉及一种载波信号激励源以及载波信号合成方法。

背景技术：

在特种设备安全检测及油气管道缺陷检测领域中常用的无损检测方法有涡流无损检测方法、常规超声检测方法、电磁超声检测方法、漏磁检测方法等。在多种无损检测方法中，信号激励源都是极其关键的组成部分。在现阶段的信号激励源输出的检测信号中，多数信号成分单一，无法有效的检测到缺陷，或者存在有多种成分的信号但是探测距离及深度不够，穿透性不强。在非开挖管道检测领域，原有的检测信号激励源对缺陷反应极其微弱。此外，现阶段的其他类型的多频检测手段对含有包覆层的管道穿透力不强，对缺陷识别性不高，极易产生漏检的情况，而且只能输出单一的多频信号，无法改变多频信号的信号成分。

技术实现要素：

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种载波信号激励源以及载波信号合成方法。

本发明公开了一种载波信号激励源，包括：

载波信号发生模块，用于对低频信号经倍频、运放和直流电压偏置处理，对高频信号经运放处理，将处理后的低频信号和高频信号合成一路载波信号；

包络信号发生模块，用于对所述低频信号经相位调整和相位反转处理后，得到两路相位相差180°的随动包络信号。

作为本发明的进一步改进，还包括：

光耦隔离模块，用于对一路载波信号和两路随动包络信号进行光耦隔离；

功率放大模块，用于对光耦隔离后的一路载波信号和两路随动包络信号进行功率放大。

作为本发明的进一步改进，所述载波信号发生模块包括：

低频信号发生模块，用于产生低频信号；

倍频模块，用于对所述低频信号进行频率倍频，产生倍频低频信号；

低频运放模块，用于对所述倍频低频信号进行幅值放大，产生放大低频信号；

直流信号模块，用于产生直流电压信号；

低频分量合成模块，用于对所述放大低频信号和直流电压信号进行加法运算，产生直流偏置后的低频信号；

高频信号发生模块，用于产生高频信号；

高频运放模块，用于对所述高频信号进行幅值放大，产生放大高频信号；

载波信号合成模块，用于对所述直流偏置后的低频信号和放大高频信号进行乘法运算，产生无包络的载波信号。

作为本发明的进一步改进，所述低频信号发生模块产生的所述低频信号与所述高频信号发生模块产生的所述高频信号的幅值相同、频率不同；

所述低频运放模块的幅值放大倍数小于所述高频运放模块的幅值放大倍数。

作为本发明的进一步改进，所述低频运放模块的幅值放大倍数为所述高频运放模块的幅值放大倍数的0.75倍；

所述倍频模块对所述低频信号的频率放大倍数为2倍。

作为本发明的进一步改进，所述高频信号发生模块通过给高频信号输出芯片的控制引脚a0和a1高低电平，控制产生的所述高频信号为正弦波或脉冲波。

作为本发明的进一步改进，所述载波信号合成模块产生无包络的载波信号的计算公式为：

ua(t)＝um(1+macosωt)coswct

式中：ua(t)为输出载波信号，ma为调幅系数，uc(t)＝umcoswct为高频信号，uω(t)＝umcosωtcoswct-为低频调制信号。

作为本发明的进一步改进，所述包络信号发生模块，包括：

所述低频信号发生模块，用于产生所述低频信号；

信号相位调整模块，用于对所述低频信号进行相位调整，产生的相位调整低频信号分为两路，一路所述相位调整低频信号作为一路随动包络信号；

信号相位反转模块，用于对另一路所述相位调整低频信号进行相位反转，产生相位相差180°的另一路随动包络信号。

本发明还公开了一种载波信号激励源的载波信号合成方法，包括：

产生低频信号；

对所述低频信号进行频率倍频，产生倍频低频信号；

对所述倍频低频信号进行幅值放大，产生放大低频信号；

产生直流电压信号；

对所述放大低频信号和直流电压信号进行加法运算，产生直流偏置后的低频信号；

产生高频信号，所述高频信号与所述低频信号的幅值相同、频率不同；

对所述高频信号进行幅值放大，产生放大高频信号，所述低频运放模块的幅值放大倍数小于所述高频运放模块的幅值放大倍数；

对所述直流偏置后的低频信号和放大高频信号进行乘法运算，产生一路无包络的载波信号；

对所述低频信号进行相位调整，产生的相位调整低频信号分为两路，一路所述相位调整低频信号作为一路随动包络信号；

对另一路所述相位调整低频信号进行相位反转，产生相位相差180°的另一路随动包络信号。

作为本发明的进一步改进，还包括：

对一路无包络的载波信号和两路随动包络信号进行光耦隔离；

对光耦隔离后的一路无包络的载波信号和两路随动包络信号进行功率放大，实现两路随动信号始终包络载波信号的互成相关关系的信号输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的载波信号激励源包括两路包络随动信号和一路载波信号。两路包络信号和一路载波信号共同组成适合钢制管道无损检测的，具有较强的穿透能力和缺陷信号携带能力的检测激励信号；

2、本发明仅通过调节载波信号低频分量的频率即可完成三种信号的紧密结合，使两路包络信号始终包络在载波信号上；

3、本发明通过调节高频信号发生芯片的控制引脚a0和a1的高低电平，可输出正弦波和脉冲波，可分别合成正弦载波信号和脉冲载波信号；

4、本发明的载波信号激励源采用信号发生模块与功率放大模块隔离的方式，利用模拟光耦隔离方法，以防止在使用过程中由于过载等情况的发生有可能导致信号发生模块发生损坏的情况。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的载波信号激励源的框架图；

图2为本发明一种实施例公开的载波信号发生模块的总体电路图；

图3为本发明一种实施例公开的正弦载波信号与脉冲载波信号的切换电路图；

图4为本发明一种实施例公开的直流信号模块的电路图；

图5为本发明一种实施例公开的载波信号合成模块的电路图；

图6为本发明一种实施例公开的信号相位调整模块的电路图；

图7为本发明一种实施例公开的光耦隔离模块的电路图；

图8为本发明一种实施例公开的功率放大模块的电路图；

图9为本发明一种实施例公开的电源稳压模块的电路图。

图中：

10、载波信号发生模块；11、低频信号发生模块；12、倍频模块；13、低频运放模块；14、直流信号模块；15、低频分量合成模块；16、高频信号发生模块；17、高频运放模块；18、载波信号合成模块；20、包络信号发生模块；21、信号相位反转模块；22、信号相位调整模块；30、光耦隔离模块；40、功率放大模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种载波信号激励源，包括：载波信号发生模块10、包络信号发生模块20、光耦隔离模块30和功率放大模块40；其中：

本发明的载波信号发生模块10，用于对低频信号经倍频、运放和直流电压偏置处理，对高频信号经运放处理，将处理后的低频信号和高频信号合成一路载波信号。

如图2所示，为实现上述功能，本发明的载波信号发生模块10具体包括：低频信号发生模块11、倍频模块12、低频运放模块13、直流信号模块14、低频分量合成模块15、高频信号发生模块16、高频运放模块17和载波信号合成模块18；低频信号发生模块11与倍频模块12相连，倍频模块12与低频运放模块13相连，低频运放模块13和直流信号模块14与低频分量合成模块15相连，高频信号发生模块16与高频运放模块17相连，低频分量合成模块15和高频运放模块17与载波信号合成模块18相连；其中：

本发明的低频信号发生模块11，用于产生低频信号，低频信号的幅值与高频信号发生模块16的幅值一致，但是频率不一致；如图9所示，是对信号发生板载电源部分的设计，供电电源部分电路如图所示。根据电路中各个电子元件所需的供电电压类型，可将供电电压来源分为4个电压域，即±32v、±15v、±5v、3.3v。在信号发生部分主要用到了后面3种，本段主要介绍该部分。信号发生模块电路板的输入电压范围为±15v～±36v，需要稳压到±15v、±5v、3.3v。如图3所示，外部电源供电接入三路接线端子，通过六脚开关后进入桥式整流电路。之后进入由芯片ic1和ic2组成的±15v稳压电路。经过稳压产生±15v电压后，除了供相关电源电压要求的电路使用之外，再次由芯片ic3和ic4组成的±5v电路进行稳压。具体连接方式为，由二极管d1、d2、d3、d4组成的滤波电路左侧接输入电压，输出端接ic1和ic2的输入端，与稳压芯片相并联的是两对极性电容和一对非极性电容。ic1和ic2输出端分别接ic3和ic4的输入端，同时ic3和ic4与两对非极性电容和一对极性电容相并联。ic3和ic4芯片的输出端分别输出-5v和+5v电压。同样，正负5v的电压除供给有相关电压要求的电路使用之外，+5v电压输入由稳压元件d1组成的稳压电路稳压至3.3v。

本发明的倍频模块12，用于对低频信号发生模块11产生的低频信号进行频率倍频，产生倍频低频信号；其中，本发明倍频模块12对低频信号的频率放大倍数为2倍；

本发明的低频运放模块13，用于对倍频模块12的倍频低频信号进行幅值放大，产生放大低频信号；其中，要生成调制载波信号，需要该信号的低频载波分量和高频波分量幅值具有一定的比例关系，保证生成的载波信号具有良好的调制波形。原始低频信号与原始高频波信号幅值均一致，原始低频信号的放大系数与原始高频信号的放大系数不一致，且必须使本发明的倍频模块12的放大倍数小于高频运放模块的幅值放大倍数；优选，低频运放模块的幅值放大倍数为高频运放模块的幅值放大倍数的0.75倍；

本发明的直流信号模块14，用于产生直流电压信号；其中，如图4所示，本发明的直流信号模块14实现了5v电压输入、3.3v电压的输出，+5v输入接入电阻r1，电阻r1连接d1的k端，同时接入到r2中；d1的r端分别接到电阻r2和r3，同时，这两个电阻也串联连接。d1的a端和电阻r端接地。

本发明的低频分量合成模块15，用于对放大低频信号和直流电压信号进行加法运算，产生直流偏置后的低频信号；

本发明的高频信号发生模块16，用于产生高频信号；其中，如图3所示，本发明通过给高频信号输出芯片ic14的控制引脚a0和a1高低电平，可控制高频信号输出芯片ic14输出正弦波或者脉冲波；

本发明的高频运放模块17，用于对高频信号进行幅值放大，产生放大高频信号；

本发明的载波信号合成模块18，用于对直流偏置后的低频信号和放大高频信号进行乘法运算，产生无包络的载波信号；其中，产生无包络的载波信号的计算公式为：

ua(t)＝um(1+macosωt)coswct

式中：ua(t)为输出载波信号，ma为调幅系数，uc(t)＝umcoswct为高频信号，当coswct为常数时，高频信号为方波信号；uω(t)＝umcosωtcoswct为低频调制信号。

通过调整高频信号发生模块的输出模式，变换高频信号的输出波形形式，可以输出正弦载波信号和脉冲载波信号。当高频信号为正弦信号时，则输出为正弦载波信号。当高频信号为脉冲方波信号时，则输出为脉冲载波信号。

如图5所示，本发明的载波信号合成模块18中ic5为调制主控芯片，低频与直流信号的混合信号接入芯片的低频输入端。高频信号输入到高频输入端，电源供电采用±5v的供电方式。为了保证调制成的载波信号具有较小的毛刺和较稳定的信号形状，给供电电源加上滤波电容。供电电源分别并联连接两个非极性电容和一个极性电容进行供电电源滤波。输出部分将ic5芯片的加法输入端接电阻r4，r4另一端接地，同时，该部分通过电阻r3和电容c7接到输出端，输出端接到电容c8的一端。电容c8的另一端输出合成的载波信号。

进一步，对于低频、高频信号发生模块，需要提供的是单路的正弦信号。正弦信号的稳定性直接影响到合成后的载波信号的信号质量。同时，为了增强信号的穿透性，要求输出的载波信号低频分量频率能够足够的低。此外，为了提高信号发生的通用性，以及满足无损检测领域在不同工况和不同检测对象下对检测信号的多样性要求，要求正弦信号发生模块，不仅仅能够输出正弦信号做为载波信号的源信号，还可以输出方波信号、三角波信号等多种信号。在使用过程中，也常需要对信号的占空比进行调节，所以要求信号发生模块也要具备占空比调节的功能。由于信号发生模块输出的源信号的稳定性对载波信号的质量有很大的影响，所以对信号发生模块的输出信号稳定性也提出了很高的要求。

本发明的包络信号发生模块20，用于对低频信号经相位调整和相位反转处理后，得到两路相位相差180°的随动包络信号。

为实现上述功能，本发明的包络信号发生模块20具体包括低频信号发生模块11、信号相位反转模块21和信号相位调整模块22；低频信号发生模块11与与信号相位反转模块21相连，信号相位反转模块21与信号相位调整模块22相连；其中：

本发明的低频信号发生模块11，用于产生低频信号；

本发明的信号相位调整模块21，用于对低频信号进行相位调整，产生的相位调整低频信号分为两路，一路相位调整低频信号作为一路随动包络信号；

本发明的信号相位反转模块22，用于对另一路相位调整低频信号进行相位反转，产生相位相差180°的另一路随动包络信号；

如图6所示，本发明的包络信号发生模块20中原始低频信号通过电阻r1接入到运放ic6的反向输入端，同时，通过电位器r2接入到运放ic6的同相输入端。在r2与运放同相输入端之间并联有非极性电容c1。运放的输出端分两路，一路接入隔离模块进行输出，一路接入到运算放大器组成的反相电路中；运放采用±5v双电源供电，同时加入反馈电阻r3，输出部分通过电阻r4输出移相后的信号；其中，被包络载波信号的低频分量的频率是两路包络信号频率的两倍。其信号发生源为同一发生源。当载波信号频率发生变化时，两路包络信号的频率也发生同样变化，其轨迹始终跟随包络载波信号，实现两路包络信号输出。

本发明的光耦隔离模块30，用于对一路载波信号和两路随动包络信号进行光耦隔离；其中，本发明的光耦隔离模块30为三个独立的模块，其分别与载波信号合成模块18、信号相位调整模块21和信号相位反转模块22的输出端相连。其中，如图7所示，采用的线性光耦隔离芯片为ic13为安全隔离主控芯片，模拟输入信号接入运算放大ic11的同相输入端，ic11的输出端通过电阻r1接入到光耦隔离芯片的输入端。电容c1的一端接光隔芯片的引脚4，另一端接ic11的输出端，构成负反馈。光隔芯片ic13的引脚8为模拟量输出端，接入运算放大器ic12的同相输入端。电阻r2一端接同相输入端，一端接地。光隔芯片采用+5v单电源供电。ic12芯片的输出端直接接功率放大器输入端。

本发明的功率放大模块40，用于对光耦隔离后的一路载波信号和两路随动包络信号进行功率放大；其中，本发明的功率放大模块40为三个独立的模块，其与光耦隔离模块30对应相连；其中，如图8所示为功率放大模块，该模块是实现信号激励源功能的重要部分。如图8所示，输入信号接到电阻r1的一端，r1的另一端接到滑动变阻器r2的固定端，滑动变阻器r2的滑动端接到定值电阻r3的一端。r2的另一端固定端接地。r3的另一端接滑动变阻器r4的固定端。r4的滑动端接定值电阻r6，与r4滑动端并联接入到r6的是两个非极性电容。非极性电容的另一端分别接到r4的两个固定端。r6接入到滑动变阻器r8的滑动端。r8的两个固定端分别接到两个非极性的定容c3和c4，同时r8的滑动端与定值电阻r7并联接到r6的一端。r7接到极性电容c5的正极性端，r5极性电容的负极端接到定值电阻r9的一端。r9的另一端接入到功率放大芯片ic7的正向输入端。功率放大芯片采用双电源±36v供电模式。输出部分利用电阻r13和电容c7进行无源滤波。

载波信号和两路包络信号输出后需要通过光耦隔离模块才能接入功率放大模块。因为设计之初限定的输出信号为正弦信号，所以光耦隔离应选用线性交流光耦隔离。

本发明提供一种载波信号合成方法，包括：

产生低频信号；

对低频信号进行频率倍频，产生倍频低频信号；

对倍频低频信号进行幅值放大，产生放大低频信号；

产生直流电压信号；

对放大低频信号和直流电压信号进行加法运算，产生直流偏置后的低频信号；

产生高频信号，高频信号与低频信号的幅值相同、频率不同；

对高频信号进行幅值放大，产生放大高频信号，低频运放模块的幅值放大倍数小于高频运放模块的幅值放大倍数；

对直流偏置后的低频信号和放大高频信号进行乘法运算，产生一路无包络的载波信号；

对低频信号进行相位调整，产生的相位调整低频信号分为两路，一路相位调整低频信号作为一路随动包络信号；

对另一路相位调整低频信号进行相位反转，产生相位相差180°的另一路随动包络信号。

对一路无包络的载波信号和两路随动包络信号进行光耦隔离；

对光耦隔离后的一路无包络的载波信号和两路随动包络信号进行功率放大，实现两路随动信号始终包络载波信号的互成相关关系的信号输出。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。